衰老的生物标志物：从功能到分子生物学

 

  摘 要  

衰老是大多数慢性疾病和功能障碍的一个主要危险因素。在同一年龄段的样本中，疾病和功能障碍的风险程度存在相当大的差异，这表明需要有效的生物标志物来帮助描述复杂的衰老过程。由于生物生活环境、生活方式和医疗手段的多样性，生物标志物的识别变得更加复杂。因此，目前还没有一种单一的生物标志物或金标准工具能够监测成功或健康的老化。在这篇简短的综述中，介绍了目前关于假定生物标志物的知识，重点介绍了它们在受衰老过程影响的主要生理机制中的应用，包括体能、营养状况、身体成分、内分泌和免疫功能。本文强调了基于分子和DNA的生物标志物，以及其他生物标志物的最新进展，如microRNA、胆红素或晚期糖基化终末产物。

关键词：衰老；生物标志物；身体机能；炎症；基于DNA的标志物；分子标志物；miRNA

01 引言

衰老是一种自然的、多因素的现象，其特征是退化过程的积累，而退化过程又是由分子途径内的多种改变和损伤所支撑的。这些改变和损伤最终会损害细胞和组织功能[1,2]。因此，衰老是几乎所有非传染性疾病最严重的风险因素，包括心血管疾病、癌症、糖尿病和神经系统疾病。提出的导致衰老过程和这些与年龄相关的慢性疾病发展的机制包括DNA损伤、基因和非编码RNA表达的改变、遗传毒性、氧化应激和端粒变短的发生率[3–5]。尽管有许多理论被提出来解释衰老现象，但迄今为止，还没有一种理论能够完全解释驱动衰老基本过程的机制[6]。事实上，人们对衰老的理解已经明显增加，目前的知识强调了衰老“网络”理论的重要性[7]。基于这些综合理论，衰老被更好地描述为一个涉及生物和分子机制之间复杂相互作用的多因素过程[6,8–10]。鉴于此，任何单一的或易于定义的生物标志物都不太可能提供一个有效的生物老化的测量方法。

 

然而，提供越来越准确的疾病发病测量或预测指标仍然是一个重要目标。相反，同样重要的是，保持适龄最佳健康的能力。区分什么是正常的生物老化和什么时候健康受到不利影响的能力是一个重要领域，目前几乎没有实验数据。因此，目前还没有评估健康老龄化的金标准工具，也没有一种单一的测量方法可以作为一种敏感和特异的老龄化生物标志物。这就产生了一些与生存、老年健康、虚弱、与年龄相关的（多）发病率或残疾相关的标志物。最近的尝试旨在使用主成分分析等技术，将在不同生理网络中运行的多个生物标志物进行统计联系，以更全面地了解与年龄相关的健康状况[11,12]。这些策略与最近发现的基于分子和DNA的标志物相结合，有可能改善健康衰老的预测[3,13,14]。因此，这篇简短的综述将总结一组最有希望的人类健康衰老生物标志物（见表1）。衰老生物标志物的定义遵循美国老龄研究联合会的指南[15]。

 

表1 推测衰老的生物标志物

身体机能与人体测量
	测量实用性	结果预测
步行速度 椅子架 站立平衡	高 高 高	死亡率 死亡率 死亡率
握力	高	心血管疾病 认知障碍 死亡率
体质指数	高	心血管疾病 认知衰退 死亡率
腰围	高	心血管疾病
肌肉力度	高	死亡率
基于血液的候选标志物
	测量实用性	结果预测
炎症IL-6、TNF-a、CRP 炎症标志物的网络分析 糖代谢：糖化血红蛋白、血糖 脂肪因子 甲状腺激素 维生素D NT-proBNP肌钙蛋白	中等至偏高 中等 中等 中等 中等 低 中等	死亡率，握力 死亡率 死亡率 死亡率（中度预测）衰老/虚弱死亡率/发病率（中度预测） 死亡率/多发病率认知损害 死亡率/多发病率认知损害
基于分子/DNA的标志物
	测量实用性	结果预测
DNA/染色体损伤 端粒长度 DNA修复	低 低 低	衰老（适度预测） 死亡率（中等预测） -
新型标志物
	测量实用性	结果预测
胆红素（主要是未结合胆红素） 晚期糖基化终产物 金属螯合蛋白 DNA甲基化 微小RNA	中等至偏高 低 低 低 低	CVD，CVD相关死亡率 心血管疾病 衰老的大脑 - CVD老化（中度预测）

 

02  身体机能与人体测量

 

身体能力的测量仍然是当前和未来健康的重要标志。客观和标准化的体能测试已经开发出来，并越来越多地用于基于人群的研究。对身体表现的功能评估，如握力、椅子站立、步态速度、起跳计时和六分钟步行测试，经常用于监测生物老化过程。握力较弱、步行速度较慢、椅子站立试验中重复次数较少、站立平衡能力较差，这些都与老年社区居民的死亡率显著升高有关，与年龄无关。这些发现现在通过荟萃分析得到进一步证实，荟萃分析强调了步行速度减慢与死亡率增加之间的关联强度[16,17]。最近的研究表明，除了握力和行走速度外，中年人的站立平衡和椅子上升速度还可以预测13年随访期间的死亡率[18]。根据自我报告的日常生活活动（ADL）困难评估，握力减弱也与功能下降有关[19]。

 

评估随后残疾风险的各种研究和系统评价（通过评估ADL）表明，在体能测试中表现不佳的老年人更有可能成为功能性残疾[20,21]。还有一些证据表明，握力、行走速度、下肢力量和站立平衡能力较差与心血管疾病（CVD）、痴呆症和住院（作为失去独立性的标志）风险较高有关。在英国纽卡斯尔85+研究中，低握力与多发病率、认知障碍和残疾有关[22]。与身体能力无关，随着年龄的增长，认知功能的许多方面都会显著下降，包括记忆处理、注意力和视觉空间能力，而认知功能的一些其他方面，如词汇，可能会随着年龄的增长而增加[23]。然而，无论潜在的诊断是什么，认知功能障碍都与患者较高的死亡风险相关。在这方面，迷你精神状态检查的分数低于25分与最高死亡率相关[24]。

 

衰老还与身体成分变化有关，包括身体脂肪增加、肌肉质量减少和器官质量减少（心脏除外）。较高的腹部肥胖是衰老和年龄相关疾病的风险因素，对于腰围低于94厘米的白人男性和77厘米的白人女性来说，死亡率最低。腰围在132和116厘米以上的男性和女性的相对死亡率分别是男性和女性的两倍[25]。体重指数（BMI）是衡量总体肥胖的有用指标，因为BMI每增加5 kg/m2，总体死亡率就会增加30%，血管死亡率会增加40%，糖尿病、肾脏和肝脏死亡率会增加60%-120%[26]。此外，独立于性别和其他混杂因素的高BMI是认知能力下降的风险因素[27]。

 

无论肌肉减少症的定义如何，与年龄相关的骨骼肌质量和力量的损失[28,29]，低肌肉质量和肌肉功能差都是老年人致残和死亡的非常普遍和重要的风险因素[30,31]。检查局部肌肉质量与健康结果之间关系的横断面和前瞻性研究一致报告，低骨骼肌指数（以百分比表示的骨骼肌质量/体重）与功能损害和残疾的可能性增加相关[32,33]。

 

总的来说，这些研究都继续指出身体测量的重要性，包括作为衰老重要生物标志物的活动性和身体成分。随着新的成像方法得到普遍应用，包括磁共振成像（MRI）和外周定量计算机断层扫描，需要进一步改进，以提高身体成分和肌肉质量的测量精度。包括可穿戴设备在内的未来技术将越来越多地提供关于运动模式的准确实时数据，区分与年龄相关的疾病的发病和严重程度。

 

03  基于血液的候选生物标志物

在血液样本中测量的大多数衰老生物标志物与心血管功能、糖代谢、炎症、营养状况、内分泌学和血液学有关。尽管有许多与炎症和止血相关的心血管功能生物标志物不太为人所知，但心血管相关疾病风险的经典、广泛测量和记录良好的生理标志物仍然是一些最强大的衰老生物标志物[34]。系统综述和荟萃分析提供了强有力的证据，证明脂质谱（包括总胆固醇、低密度和高密度脂蛋白胆固醇以及甘油三酯浓度）是发病率和死亡率的预测因子[35–38]。

 

免疫衰老研究得最好的方面之一是炎症肽生物标志物（白细胞介素（IL）-6、白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和C反应蛋白（CRP））的年龄相关增加，统称为“炎症”[39]。血浆中较高浓度的炎症因子（如IL-6和TNF-α）与老年人较低的握力和步速有关，表明老年人的免疫和功能状态之间存在相互联系[40]。CRP与全因和特异性死亡原因有关，IL-6被发现是死亡率的有力预测因子[41–43]。

 

对百岁老人进行了炎症标志物的测量。百岁老人的炎症症状较少[11,12]。虽然与年轻人群相比，炎症肽缺失或降低，但抗炎细胞因子（如IL-10）的水平也相应增加[44]。重要的是，关于细胞因子、免疫系统和靶器官之间的相互作用，还有很多有待了解。显然，这些炎症标志物具有许多非经典功能，包括代谢功能的调节，远远超出了经典描述的对炎症功能的影响。

 

衰老与代谢和激素功能的许多方面的改变有关，包括靶组织中细胞胰岛素受体和葡萄糖转运单位的表达改变。在这些组织中，碳水化合物代谢发生相应变化，包括细胞葡萄糖氧化减少。这些改变导致糖耐量降低，这是通过标准葡萄糖负荷后降低血糖的能力受损来衡量的。有几种葡萄糖耐量指标，临床上公认的糖尿病诊断指标是空腹和餐后血糖浓度。糖化血红蛋白是前几个月内通常葡萄糖浓度的一种量度，不需要禁食或葡萄糖挑战，也被认为是葡萄糖代谢的一个可行指标[45]。

 

最近的研究表明，与红细胞相关的标志物，尤其是红细胞压积、血红蛋白和红细胞计数，与不良健康状况指标（如多发病率、认知障碍、残疾和死亡率）的发生率显著升高相关[22]。内分泌系统中与年龄相关的变化已经得到了很好的证实，包括由于更年期和雄激素暂停而导致的性激素雌激素和睾酮的下降，以及生长激素和胰岛素样生长因子-1（生长激素）的减少[46–48]。

 

最近发现的脂联素、ghrelin、瘦素和内脂素等脂肪因子是炎症的关键调节因子，也是食欲调节等中枢功能的关键调节因子。血清脂肪因子水平的改变与肥胖和代谢综合征风险的增加有关[49]。有趣的是，脂联素的浓度似乎随着年龄的增长而变化，并与年龄相关的健康结果有关，但需要进一步研究衰老与脂肪因子之间的关系[50]。

 

其他激素变化，包括促甲状腺激素（TSH）、游离甲状腺素（FT4）和三碘甲状腺原氨酸（FT3）也被评估与老年人健康结果的关系，但只有低FT3水平与发病率和死亡率的风险增加有关[22]。这些发现与调查老年人群的其他研究一致，表明低血清FT3与身体表现和肌力参数降低[51]以及疾病负担和死亡率增加[51,52]有关。

 

营养相关参数多种多样，尽管研究往往主要集中在一小部分微量营养素上，包括维生素D、B12、B6和叶酸。然而，数据并不令人信服，有限的证据表明，维生素D水平降低与总体发病率和认知障碍增加有关[22,53]。

 

其他非常有趣的衰老标志物是N末端B型利钠肽前体（NT-proBNP）和心肌肌钙蛋白，这两种都与心肌损伤高度相关。最近有研究表明，NT-proBNP在心力衰竭时升高，与多发病率、认知障碍和死亡率相关[22,54]，这使得NT-proBNP成为年龄相关心肌功能障碍的一个信息性通用标志物。心肌肌钙蛋白与心肌的生理更新或重塑有关。它与NT-proBNP显著相关[55,56]。尽管这两种标志物作为心脏损伤和心血管疾病的预测因子是有效的，但在男性和女性健康受试者中，这两种标志物都随着年龄的增长而增加，重要的是直到非常年老，这成功地证明了它们是人类衰老的生物标志物[22,57]。

 

尽管这些血源性指标中有许多具有明显的相关性，但在疾病发生之前准确确定这些标志物预测价值的纵向数据仍然很少。然而，有大量证据表明，及时分析血源性生物标志物应该是老年护理的一个共同特点，需要建立规范性标准和适当的年龄相关参考范围。

04  以分子/DNA为基础的标志物是否是潜在的预测因子？

常见的衰老理论，即年龄与活性氧（ROS）的积累、DNA损伤、线粒体功能障碍、抗氧化防御受损和端粒缩短呈线性相关和/或由其引起[58]，在人类中已得到充分证实。然而，据报道，这些标志物中的许多会增加到一定年龄，最常见的情况是与统计预期寿命一致。此后，一些生物标志物的水平出现平稳甚至下降。

 

在衰老的自由基理论的支持下，人们普遍认为线粒体产生的活性氧在寿命期间累积，导致老年时出现慢性氧化应激状态。由于老年人的抗氧化防御机制和DNA修复能力似乎受损，DNA损伤被认为是衰老的结果[59]。DNA稳定性受损会增加细胞遗传学畸变的频率，而细胞遗传学畸变又与癌症、糖尿病、心血管疾病和认知能力下降等与年龄相关的疾病密切相关[60,61]。然而，在60-70岁[62,63]之前，染色体损伤呈线性增加，随着年龄的增长（超过85岁[64]），染色体损伤逐渐减少。值得注意的是，染色体的保护端端粒似乎也是如此[65]。较长的端粒和较高的端粒酶活性有助于基因组的稳定性、DNA完整性，并与衰老过程呈正相关[66]。

 

 “常规”衰老过程和慢性疾病的发展都伴随着DNA损伤、染色体损伤和端粒缩短的增加[59,60,63,67]。重要的是，超过统计预期寿命的人，尤其是年龄最大的年龄组，包括九岁（90-99岁）、百岁老人（100-109岁）和超级百岁老人（110岁及以上），与预期寿命或低于预期寿命的研究组群相比，他们对与年龄相关的疾病表现出不同的看法[68]。此外，越来越多的数据表明，成功老龄化受试者的染色体稳定性、DNA修复活性和抗氧化防御能力与年轻人群相当[3,69,70]。

 

综上所述，非常年长的人类似乎与传统的衰老理论相矛盾，即与年龄相关的DNA损伤累积、基因组不稳定性和端粒缩短，因为他们表现出更好的DNA修复能力和更高的端粒酶活性，甚至可以与更年轻的同龄人相比。“成功”老年人的超强韧性是源于遗传因素，还是源于杰出的健康生活方式，仍是未来研究的领域。总之，基于现有证据的DNA完整性、基因组稳定性、抗氧化防御或端粒长度的标志物不符合有效的衰老生物标志物标准。

05  新的和未建立的标志物

 

胆红素是血红素的主要四吡咯、胆色素和分解代谢产物，是监测慢性非传染性疾病耐药性的新兴生物标志物。据报道，轻度升高的血清胆红素水平与降低CVD相关的死亡率和相关风险密切相关风险因素。最近的数据还将胆红素与全因死亡率和其他慢性疾病（包括癌症和2型糖尿病）联系起来。因此，有证据表明胆红素是降低慢性病患病率和预测全因死亡率的生物标志物，但也是成功老龄化的新生物标志物[71,72]。

 

晚期糖基化终产物（AGEs）代表了进一步的生物标志物，具有监测健康衰老的潜力。蛋白质修饰，如非酶蛋白质糖基化，是由葡萄糖和蛋白质氨基之间的反应产生的蛋白质的常见翻译后修饰。这一过程，更被称为“美拉德反应”，导致年龄的形成。有趣的是，胶原蛋白和软骨等长寿蛋白质的年龄在正常衰老过程中积累。它们直接或通过与年龄受体的相互作用参与许多年龄相关疾病的病理生理学，包括心血管疾病、肾脏疾病和神经退行性变[73]。

 

金属硫蛋白（MTs）是一种低分子量、富含半胱氨酸的锌结合蛋白，在老年人群中表达下调[74]。MTs在锌介导的生长、增殖、分化和发育相关基因的转录调控中发挥重要作用，这些基因在神经功能中具有重要作用。有实验证据表明，MTs作为一种防御机制在衰老的大脑中被诱导，以减轻氧化和硝化应激。MTs还可以通过抑制Charnoly小体的形成，起到自由基清除剂的作用，从而有助于保护线粒体功能，作为衰老大脑的神经保护机制[75]。

 

最近，通过分析从半超级百岁老人及其后代分离的外周血单个核细胞，提出了“表观遗传钟”的有趣模型[76,77]。表观遗传钟是一种基于353个二核苷酸标记（即磷酸胞嘧啶鸟嘌呤（CpG））的DNA甲基化水平的多变量时间年龄估计器。CPG的范围和模式与按时间顺序排列的年龄和死亡率独立相关[78]。需要进一步的数据来了解这些变化是否与年龄增长的健康维持相关或因果关系。

 

表观遗传学变化只是衰老过程中分子功能改变的众多新兴分子标志物之一，这些标志物可能预测健康状况。最近的研究检测了新的分子标志物p16INK4a，它以抑制细胞周期蛋白依赖性激酶活性而闻名。p16INK4a的长期表达是细胞衰老的启动子，是一个不可逆的细胞周期停滞和再生能力丧失的过程。因此，p16INK4a的精确调节对组织内环境稳定至关重要，维持肿瘤抑制和衰老之间的协调平衡[79]。到目前为止，尚未对人类群体和不同细胞类型进行研究，以提供证据证明其作为健康衰老生物标志物的潜力。

 

最后，microRNA（miRNA）是由21-23个核苷酸组成的单链非编码RNA分子，调节着广泛的生物活性，被认为是衰老的标志[80]。这些小RNA分子最初被证明有助于线虫的衰老，并在年轻和老年动物模型的组织中表现出不同的表达水平[81,82]。最有趣的是，即使在血清和/或血浆中，miRNA也是稳定的分子，因此在临床环境中被视为有希望的标志物[83]。在人类基因组中表达的许多miRNA中，潜在候选分析集中在miR-146、miR-155、miR-21和miR-126 [84–86]。这些研究已经扩展到证明年龄相关健康损失的特异性，能够利用miRNA特征分析在一定程度上准确区分阿尔茨海默病和/或轻度认知损害的发病与认知正常年龄匹配的对照[87]。此外，miRNA还可以作为心血管衰老或衰老相关疾病的循环生物标志物[88]，但需要进行进一步的研究，以评估其作为区分成功衰老和非成功衰老的预测生物标志物的敏感性、选择性和潜力。

 

06  结论

由于衰老的许多生物学和分子机制的复杂性，没有单一的生物标志物能够提供健康衰老的有效测量。根据现有证据，尚未出现任何新发现的分子功能测量方法，其性能超过血液中常规分析的现有脂质、肽和激素生物标志物。经常被忽视的是，将这些测量与物理和功能参数的成熟标志物相结合的价值。

 

目前，许多新的标志物正在评估中，通过新的分析技术或更深入地了解细胞水平上功能丧失和功能障碍发生的基本分子基础，这些标志物成为可能。因此，潜在候选人的数量预计将显著增加。代谢组学、蛋白质组学或基因组学等所谓的“组学”技术将进一步触发数据生成，并可能为新的衰老生物标志物的无偏见系统发现途径提供机会。然而，根据健康测量进行验证需要一些时间[14]。哪些标志物将成为生物衰老的可靠预测因子，并提供持续最佳健康状况的衡量标准，仍有待阐明。

编辑 | 钟倩